高速便攜式RS 232／422信號模擬器設(shè)計

摘要：為了飛行試驗中機(jī)載測試設(shè)備或儀器外場排故的需要，利用FPGA和USB接口技術(shù)成功設(shè)計了可模擬當(dāng)前各種飛機(jī)RS 232／422總線信號的高速便攜式模擬器。該信號模擬器能產(chǎn)生24種標(biāo)準(zhǔn)或者非標(biāo)準(zhǔn)波特率的RS 232／422信號，擁有USB接口、鍵盤和LED顯示屏等功能，具有設(shè)置簡便，使用靈活，可靠性高以及耗電量低等特點。
關(guān)鍵詞：機(jī)載測試設(shè)備；FPGA；USB；RS 232／422；信號模擬器

0 引言
隨著我國航空技術(shù)的不斷發(fā)展，我國新研制了眾多不同型號和不同用途的飛機(jī)。這些飛機(jī)以及這些飛機(jī)上電子設(shè)備之間采用的RS 232和RS 422格式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總線也有了極大的發(fā)展。它們傳輸數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位、波特率及傳輸?shù)男畔K形式各不相同，尤其波特率，已經(jīng)從當(dāng)初的幾十Kb／s發(fā)展到現(xiàn)在的上百Kb／s甚至上Mb／s。這就需要研制一種高速RS 232／422信號模擬器，它能夠模擬我國現(xiàn)有飛機(jī)及機(jī)上設(shè)備采用RS 232或RS 422格式進(jìn)行相互通信的RS 232／422總線數(shù)據(jù)，為機(jī)載測試工程師在試驗室對機(jī)上采集RS 232或RS 422信號的設(shè)備進(jìn)行通電和編程驗證，以及外場機(jī)上排故時提供方便可靠而又靈活的RS 232／422信號模擬器。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計
RS 232／422信號模擬器主要由USB接口、鍵盤顯示、電源管理、RS 232／422信號電平轉(zhuǎn)換和FPGA核心控制這幾部分電路模塊組成。USB接口電路主要功能是和上位計算機(jī)通過USB接口建立連接，把上位計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送到FPGA核心控制電路，或者把FPGA核心控制電路發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到上位計算機(jī)。鍵盤顯示電路主要功能是當(dāng)信號模擬器脫離PC機(jī)獨立工作時，通過鍵盤輸入命令和數(shù)據(jù)，并在LED顯示屏上觀察輸入的命令和數(shù)據(jù)是否正確，并可以在接收時能察看接收到的數(shù)據(jù)，以判斷接收到的數(shù)據(jù)正確與否；此外，它還可以實時顯示電源的狀態(tài)和電池的電量等信息。電源管理主要是對供電源頭進(jìn)行排序和自動選擇，同時監(jiān)控電池的電量信息，并把這些信息傳送給FPGA核心控制電路。
RS 232／422信號電平轉(zhuǎn)換電路主要功能則是把TTL或CMOS電平轉(zhuǎn)換成符合要求電平傳送出去，或者把接收到的RS232或RS 422標(biāo)準(zhǔn)的信號電平轉(zhuǎn)換成TTL或COMS電平，同時在不工作時使這些電路處于睡眠狀態(tài)，以降低功耗。FPGA核心控制電路是本硬件系統(tǒng)的核心，它對以上部分的電路系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理，監(jiān)控所有電路的工作狀態(tài)，并隨接收來自這些電路的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)這些信息做出不同的處理，如果需要的話，并把部分結(jié)果在LED顯示屏或者上位計算機(jī)屏幕上顯示出來，供操縱者參考。本信號仿真器的硬件系統(tǒng)電路原理框圖如圖1所示。

2 主要電路模塊設(shè)計
2．1 USB接口電路模塊設(shè)計
USB(Universal Serial Bus，(計算機(jī))通用串行總線)是計算機(jī)和外圍設(shè)備連接的最常用，也是最方便的總線接口，它支持熱插拔和即插即用，應(yīng)用靈活，易于升級，全速率傳輸可達(dá)12 Mb／s，而高速傳輸達(dá)480 Mb／s，并且它同時可以向外圍設(shè)備提供耗電電流不大于500 mA的
5 V電源。在本信號仿真器中，USB接口不僅僅具有和信號仿真器交換數(shù)據(jù)的任務(wù)，同時還向信號源提供5 V的直流供電的功能。通過USB接口，上位計算機(jī)依靠用戶界面程序?qū)π盘柗抡嫫鞯墓ぷ鳡顟B(tài)、模擬的信號格式和信息塊內(nèi)容進(jìn)行沒置；當(dāng)處于接收工作狀態(tài)時，還可以把接收到的數(shù)據(jù)實時顯示在計算機(jī)屏幕上。在設(shè)計中，本文采用了FTDI公司的FT245RL芯片作為主要的接口協(xié)議處理芯片，它本身集成了協(xié)議處理的固件程序，并且FTDI公司網(wǎng)站上也提供了此芯片的驅(qū)動程序，縮小了開發(fā)難度，加快了開發(fā)時間和成本。USB接口電路模塊的電路原理圖如圖2所示。